秸秆还田配施硫肥对春玉米产量及硫素积累、分配特性的影响

周丽娟，耿玉辉，曹国军，张美玲，李 昊

(吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118)

近年来，随着粮食产量的不断提高及氮磷钾化肥的大量投入，土壤中、微量元素含量逐渐相对不足，并成为粮食产量进一步增加的限制因素[1-2]，土壤中、微量元素缺乏的国家和地区也明显增加。硫含量一般占植物干物质的0.1%～0.5%，是继氮、磷、钾之后的第四大营养元素[3]。缺硫会影响植物的产量及品质[4]，进而影响人类的健康[5-8]。研究表明，硫参与叶绿素的合成并影响呼吸作用，从而调节植物的生长[9]。陈国安[10]研究发现，我国东北地区玉米、小麦、大豆均出现缺乏硫素症状。吴宇等[11]研究指出，在缺硫条件下，大豆种子中含硫氨基酸的蛋白的积累明显下降，缺乏含硫氨基酸的β-conglycinin蛋白增加；Cys和Met是合成蛋白质的必需氨基酸，充足的硫含量有利于富含Cys和Met的蛋白质含量提高，降低籽粒中的氮硫比例，提高籽粒的营养价值，从而影响大豆的品质。

中国是秸秆资源丰富的国家，每年产生的各种秸秆达8亿t以上[12]，这些秸秆绝大部分被焚烧或被用来做饲料和燃料。秸秆中含有有机质及丰富的营养元素[13-15]，实行玉米秸秆还田具有提高土壤肥力、改善土壤的理化性质和增产等作用[16-18]。李荣等[19]研究发现，秸秆还田可以提高玉米籽粒质量以及水分利用效率。朱泽亮等[20]认为秸秆还田可以极大促进水稻的分蘖，提高植株高度及质量。虽然目前对硫肥及秸秆还田的研究相对较多，但对秸秆还田配施硫肥对春玉米生长及硫素积累分配影响的研究报道相对较少。本研究探讨了在秸秆还田的条件下配施硫肥对春玉米产量及硫素的积累、分配及转运的影响，以期为硫素的合理调控及粮食的稳产高产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2019年在吉林省乾安县赞字乡父字村进行，试验土壤为黑钙土，0～20 cm土壤耕层养分质量分数为：有机质 17.39 g·kg−1、有效氮 102.36 mg·kg−1、有效磷 35.86 mg·kg−1、速效钾 109.38 mg·kg−1、有效硫 15.36 mg·kg−1，pH 7.86。试验田常年采用玉米连作模式。

1.2 试验设计

试验采用双因素裂区设计，主区分为秸秆还田(秸秆还田量为 12 000 kg·hm−2)和秸秆不还田 2 个水平，副区分为施硫 (施硫量为纯硫 60 kg·hm−2)和不施硫2个水平，不施任何肥处理为对照(CK)，共包括CK、秸秆不还田不施硫、秸秆还田不施硫、秸秆不还田施硫、秸秆还田施硫 5个处理。试验小区面积 39 m2(垄宽 0.65 m × 6 垄 × 10 m 长)，随机区组排列，重复3次。硫肥作为基肥施用，因施用量较小，为了撒施均匀，用塑料盆将每个小区的硫肥与一定量土壤混匀后手施撒入垄沟内。秸秆还田处理于春播前将秸秆粉碎覆于地面，通过旋耕将其与土壤充分混合，该地区农民采用膜下滴灌。玉米品种为‘富民985’，每公顷种植70 000株。试验田的氮磷钾施用量参照当地常规施肥量：4个试验处理均施氮 240 kg·hm−2，其中基肥占总施氮量的 40%，拔节期与抽雄期再分别各追施30%氮肥；4个试验处理均施 P2O5100 kg·hm−2、K2O 100 kg·hm−2，作为基肥一次性施入。5月9日播种，10月10日收获，其他管理同常规大田管理技术。

1.3 取样方法与时期

分别在春玉米的拔节期(播种后第55天)、喇叭口期(播种后第64天)、抽雄期(播种后第73天)、灌浆期(播种后第94天)、乳熟期(播种后第113天)、完熟期(播种后第130天)进行田间采样。选择大小和长势均匀的玉米植株进行采集，每个时期均采集3株，按叶片、茎秆、穗部营养体(苞叶和穗轴)和籽粒分开，于恒温箱内在105 ℃条件下杀青30 min，再于80 ℃条件下烘至恒质量后保存待测。

1.4 测定项目与方法

春玉米各器官中硫元素测定方法采用HNO3-HClO4消煮法和原子分光光度法。

硫素转运量/(kg·hm−2)=营养体最大硫素积累量−成熟期营养体硫素积累量，

硫素转运率=硫素转运量/营养体最大硫素积累量×100%，

硫素转运对籽粒的贡献率=硫素转运量/成熟期籽粒硫素积累量×100%。

于完熟期每处理取10 m2果穗，称其总鲜质量，按平均鲜穗质量从中取10穗，待自然风干后考种，考察产量与产量构成因素(千粒质量和穗粒数等)，按含水量14%折算最终理论产量。

1.5 数据处理与分析

试验数据采用 Microsoft Excel 2019 和 SPSS Statistics 23进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施硫肥对春玉米产量及构成因素的影响

由表1可知，施用硫肥显著提高了春玉米的千粒质量和穗粒数，其中对穗粒数的提高更显著，从而显著提高了春玉米的产量，不同处理总体表现为秸秆还田施硫>秸秆不还田施硫>秸秆还田不施硫>秸秆不还田不施硫>CK。在无秸秆还田条件下，施硫的产量比不施硫提高11.70%；秸秆还田条件下，施硫的产量比不施硫增加11.98%，说明施用硫肥可以起到增产的效果。施用硫肥时，秸秆还田的春玉米产量比无秸秆还田提高7.73%；无硫肥施用时，秸秆还田的春玉米产量比无秸秆还田增加了7.46%，说明秸秆还田能够起到增产的作用。秸秆与硫肥对产量无显著交互效应。

表 1 秸秆还田和施硫对春玉米产量和产量构成因素的影响及方差分析1)Table 1 Effects of straw returning and sulfur fertilizer application on yield and yield components of spring maize and variance analysis

2.2 秸秆还田配施硫肥对春玉米硫素积累的影响

如图1所示，随着生育期的延长，春玉米植株中硫素积累量持续增加，至完熟期达到最大值；在灌浆期前硫素积累迅速，灌浆期至完熟期积累相对缓慢。其中CK处理硫素积累量最低，且在整个生育期硫素积累量增长曲线较为平缓，最大硫素积累量为 14.54 kg·hm−2，与其他 4 个处理存在显著差异。秸秆还田施硫处理的硫素积累量达到最大值，为 34.16 kg·hm−2。各处理硫素积累量整体表现为秸秆还田施硫>秸秆不还田施硫>秸秆还田不施硫>秸秆不还田不施硫>CK。秸秆还田条件下，施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高35.06%；秸秆不还田条件下，施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高37.09%，且差异显著，说明施用硫肥可以促进植物对硫的积累。在施用硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高11.37%；在不施硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高13.04%，说明秸秆还田也具有促进植株对硫素吸收积累的作用。秸秆还田施硫处理的硫素积累量比秸秆不还田不硫肥处理提高52.67%，说明秸秆还田配施硫肥可以进一步促进植株对硫素的积累。

图 1 不同生育时期春玉米硫素的积累量Fig. 1 Accumulation amount of sulfur in spring maize at different growth stages

从图2可以看出，春玉米硫素积累量在各个时期呈现先上升后下降趋势，各时期硫素积累量总体表现为秸秆还田施硫>秸秆不还田施硫>秸秆还田不施硫>秸秆不还田不施硫>CK。硫素积累量最高峰出现在抽雄期至灌浆期，此时期最大硫素积累量为秸秆还田施硫处理，达到 13.09 kg·hm−2，最低硫素积累量为 CK，积累量为 4.85 kg·hm−2。硫素积累速率的规律同硫素积累量不同，其最大速率出现在喇叭口期至抽雄期，其中最大积累速率为秸秆还田施硫处理，达到 0.70 kg·hm−2·d−1。各时期硫素积累量占总的硫素积累量比例的最高峰值出现在抽雄期至灌浆期，最高比例为秸秆还田施硫处理，达到38.33%，最低比例为CK的33.32%。

图 2 不同生育时期春玉米硫素积累动态变化Fig. 2 Dynamic changes of sulfur accumulation in spring maize at different growth stages

2.3 秸秆还田配施硫肥对春玉米器官中硫素积累 的影响

2.3.1 秸秆还田配施硫肥对春玉米叶片中硫素积累的影响 如图3A所示，春玉米叶片中硫素积累量总体趋势表现为拔节期至灌浆期硫素积累量不断增加，至灌浆期达最大值，灌浆期至完熟期呈下降趋势。4个试验处理灌浆期的叶片硫素积累量都显著高于CK，其中秸秆还田条件下，施用硫肥处理的叶片硫素积累量比不施硫肥处理提高49.67%，秸秆不还田条件下，施用硫肥处理的叶片硫素积累量比不施硫肥处理提高51.99%；施硫条件下，秸秆还田处理的硫素积累量比秸秆不还田提高21.23%，不施硫条件下，秸秆还田处理的硫素积累量比秸秆不还田提高23.10%。以上结果说明，秸秆还田和施硫都能够促进春玉米叶片硫素的积累。秸秆还田配施硫肥处理的硫素积累量比秸秆不还田且不施硫肥处理增加84.25%，说明秸秆还田配施硫肥可以显著提高春玉米叶片硫素的积累量。

图 3 春玉米各器官硫素积累量Fig. 3 Sulfur accumulation amount in each organ of spring maize

2.3.2 秸秆还田配施硫肥对春玉米茎秆中硫素积累的影响 图3B中，春玉米茎秆硫素积累量总体表现为先上升，至灌浆期达到最大值，灌浆期后开始下降。硫素积累速率最快的阶段为抽雄期至灌浆期。在灌浆期，4个试验处理的硫素积累量均比CK显著增加。在秸秆还田条件下，施硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高42.66%，秸秆不还田条件下，施硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高34.35%，说明施用硫肥可以促进春玉米茎秆中硫素的积累；在施用硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高17.13%，在无硫肥施入条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高10.31%。秸秆还田施硫处理的硫素积累量比秸秆不还田不施硫提高57.37%，说明秸秆还田配施硫肥可以进一步促进茎秆中硫素的积累。

2.3.3 秸秆还田配施硫肥对春玉米穗部营养体中硫素积累的影响 由图3C可以得出，春玉米穗部营养体硫素积累量呈持续增加趋势，至完熟期达到最大值。春玉米穗部营养体的硫素积累量明显低于茎秆和叶片。秸秆还田条件下，施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高46.69%，在秸秆不还田条件下，施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高67.54%，说明施用硫肥促进了春玉米穗部营养体的硫素积累；在施用硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高8.11%，在无硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高23.48%，说明秸秆还田具有促进春玉米穗部营养体硫素积累的作用。秸秆还田施硫的硫素积累量比秸秆不还田不施硫提高81.14%，说明秸秆还田配施硫肥能够进一步促进春玉米穗部营养体硫素的积累。

2.3.4 秸秆还田配施硫肥对春玉米籽粒中硫素积累的影响 图3D可以得出，各处理春玉米籽粒中硫素积累量持续增加，至完熟期达到最大值。在秸秆还田条件下，施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高31.02%，在无秸秆还田条件下，施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高35.58%；在施用硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高9.76%，在不施硫肥条件下，秸秆还田的硫素积累量比秸秆不还田提高13.57%。秸秆还田施硫的硫素积累量比秸秆不还田不施硫提高48.80%。以上结果说明，秸秆还田配施硫肥可以进一步促进春玉米籽粒中硫素的积累。

春玉米籽粒的硫素积累量在所有器官中最高，玉米植株中各器官硫素积累量整体表现为籽粒>叶片>茎秆>穗部营养体。

2.4 秸秆还田配施硫肥对春玉米营养器官硫素转运的影响

由表2可知，不同处理茎秆的硫素转运量差异显著；在叶片的硫素转运量上，秸秆还田施硫和秸秆不还田施硫与其他处理差异显著。不同处理硫素总转运量表现为秸秆还田施硫>秸秆不还田施硫>秸秆还田不施硫>秸秆不还田不施硫>CK。其中秸秆还田施硫的硫素总转运量达到最高，为15.29 kg·hm−2，比秸秆不还田不施硫提高74.54%，说明秸秆还田配施硫肥促进了春玉米营养器官中硫素向籽粒中的转运。在转运率上，秸秆还田不施硫的茎秆转运率显著高于其他处理，但叶片转运率和总转运率在不同处理间差异不显著。在硫素转运量对籽粒贡献率上，不同处理间的贡献率大小与转运量规律基本一致，其中秸秆还田施硫的总贡献率为所有处理中最高，达到64.43%，比秸秆不还田施硫、秸秆还田不施硫、秸秆不还田不施硫及CK处理分别提高9.15%、11.53%、17.27%和18.61%。

表 2 秸秆还田和施硫对成熟期春玉米植株硫素转运特征的影响1)Table 2 Effects of straw returning and sulfur fertilizer application on sulfur transport characteristics of spring maize at mature stage

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田配施硫肥对春玉米产量及构成因素的影响

适宜的硫肥处理能够提高小麦的穗粒数、结实率和千粒质量[21]，特别是施用硫肥对多穗型‘豫麦49’产量的提高幅度较大[22]。施用硫肥提高了小麦叶片的光合特性、干物质积累[23]及籽粒产量[24]。施用锌肥可以提高玉米的产量，比不施锌肥增产5.2%，且在一定的范围内产量随着施锌量的增加而增加[25]。因此，施用一定量的中、微量元素化肥有一定的增产作用。本研究中，秸秆还田施硫的产量比秸秆还田不施硫提高11.98%，秸秆不还田施硫比秸秆还田不施硫、秸秆不还田不施硫和CK的产量分别增加3.95%、11.70%和42.36%，说明施用硫肥对春玉米有一定的增产作用，这与前人的研究结论[26-27]基本符合。

秸秆还田影响植物生长发育主要通过2种方式，一是玉米秸秆中含有丰富的有机质、氮磷钾和中微量元素等养分，通过腐解直接释放营养物质供给作物生长发育；二是秸秆还田后能够促进微生物大量繁殖，改善土壤微生物环境和理化特性，间接促进作物生长[28]，从而起到增产作用[29-31]。本试验中秸秆还田施硫处理的产量比秸秆不还田施硫处理提高7.73%；秸秆还田施硫的产量比秸秆不还田不施硫增加20.34%，比CK增加53.37%，说明秸秆还田配施硫肥可以进一步提高春玉米产量。

3.2 秸秆还田配施硫肥对春玉米硫素积累的影响

研究指出施用硫肥提高了冬小麦地上部营养器官的硫含量，其中施用 112.5 和 150.0 kg·hm−2硫肥处理地上部营养器官的硫含量与不施用硫肥相比，均达显著差异水平[32]。曹殿云[33]研究指出，适量的硫肥能够促进玉米硫素吸收，完熟期施用80 kg·hm−2硫肥处理的地上部营养器官硫素积累量与不施用硫肥处理具有显著差异。本研究中，在春玉米成熟期，秸秆不还田条件下，配施硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高37.09%；秸秆还田条件下，配施硫肥的硫素积累量比不施硫肥提高35.06%，再次证明施用硫肥促进春玉米对硫素的吸收和积累。曹殿云等[34]研究发现玉米对硫素的最高吸收强度出现在喇叭口期和抽雄期，本研究发现抽雄期的春玉米硫素积累速率在整个生育期中最高，说明在此时期一定要保证硫素的供应。崔彦宏等[35]研究指出，夏玉米有2个硫素吸收高峰期，分别出现在喇叭口至抽雄期和吐丝后第30～45天，王空军等[36]指出夏玉米吸收硫素有2个高峰期，分别为拔节期至大口期和开花期至乳熟期。本试验中硫素吸收出现1个高峰期，是抽雄期至灌浆期。由于之前的研究材料都为夏玉米，本试验的研究材料为春玉米，说明关键时期的养分补充要考虑不同品种的差异。

秸秆还田既能释放各种大、中、微量元素，又能提高土壤对水、肥、气、热的供应和协调能力[37]，从而促进作物对养分的吸收与积累[13, 38]。本研究中，至春玉米成熟期，秸秆还田施硫的硫素积累量比秸秆不还田施硫提高13.37%，证明秸秆还田可以促进春玉米对硫素的吸收和积累；秸秆还田施硫的硫素积累量比秸秆不还田不施硫提高52.67%，说明秸秆还田配施硫肥能够进一步促进春玉米对硫素的吸收和积累。

3.3 秸秆还田配施硫肥对春玉米器官中硫素分配及转运的影响

研究指出小麦开花前硫主要分配在叶片、茎秆和叶鞘中，后期则开始向籽粒转运[39]。本研究春玉米叶片及茎秆中硫素积累量都在灌浆期达到最高峰，然后开始降低，而籽粒的硫素积累则从灌浆期开始持续增加至完熟期达到最高。春玉米营养生长时期硫素的积累以叶片和茎秆为主，后期则以籽粒为中心进行积累。刘宝存等[40]指出完熟期玉米植株器官硫素积累量大小趋势为籽粒>叶片>茎秆>穗部器官，本研究在完熟期硫素积累量同样表现为籽粒>叶片>茎秆>穗部营养体。秸秆还田可以促进植株对锰元素的吸收，植株的不同器官中锰的积累量始终高于对照[41]，而有机肥和无机肥配施可以显著提升氮磷钾养分在水稻中的积累[42]。本研究中，秸秆还田提高了各器官中硫素的积累，不配施硫肥条件下，秸秆还田处理玉米籽粒中硫素积累量比秸秆不还田提高13.57%，说明秸秆还田促进春玉米各器官的硫素积累。

王东等[43]研究指出由茎秆转入籽粒的硫素最多，叶片中的硫素转入量次之。本研究中秸秆还田施硫处理的茎秆硫素转运量达到最高，为9.06 kg·hm−2，叶片转运量最高为 6.23 kg·hm−2，与上述研究结果相符。有研究指出施用硫肥能够促进硫的吸收利用，增加小麦花后氮、硫从营养器官中向籽粒转运，增加总运转量对籽粒硫素含量的贡献率[32, 44]。本试验中秸秆不还田施硫对籽粒的总贡献率比不施硫提高7.44%，秸秆还田施硫对籽粒的总贡献率比不施硫提高11.53%，说明施用硫肥提高了春玉米器官茎秆、叶片中硫素转运量对籽粒的贡献率。

3.4 结论

施用硫肥能够促进春玉米的硫素积累，本研究中施用硫肥的硫素积累量比不施硫肥平均提高36.07%。玉米植株中各器官硫素积累量整体表现为籽粒>叶片>茎秆>穗部营养体。施硫提高了植株各器官中的硫素含量，并促进营养器官中硫素向籽粒转运，提高了转运硫素对籽粒中硫素的贡献率。秸秆还田配施硫肥能够进一步促进春玉米的硫素积累以及植株营养器官硫素向籽粒的转运，并最终提高春玉米产量。